DNA復合及拉伸過程的分子動力學研究.pdf

1、DNA分子是生物體中的遺傳物質(zhì)，它攜帶著生物體的所有遺傳信息。通過DNA的復制，生物體可以復制自身所攜帶的遺傳信息，并將自己的遺傳信息傳遞下去。通過DNA轉(zhuǎn)錄過程將遺傳信息表達出來。隨著DNA研究的進一步深入，DNA作為一種新型的材料已經(jīng)越來越為人們所關(guān)注。科學家利用互補DNA單鏈會形成雙鏈結(jié)構(gòu)的特點，制成了DNA生物傳感器，納米機器和以DNA分子為引導的自組裝材料。無論是在生物過程中，還是在新興的納米科技領(lǐng)域，都利用了DNA的單鏈復合

2、成雙鏈的過程。因為DNA復合過程是發(fā)生在原子尺度上DNA構(gòu)象的變化，而且不涉及電子轉(zhuǎn)移的問題，分子動力學模擬是研究這個問題最合適的手段。03年開始科學家就開始利用分子動力學研究單個堿基對打開的過程。最近，DNA/RNA發(fā)卡的折疊過程(其中包含堿基對的復合過程)引起了人們的廣泛關(guān)注，利用分子動力學模擬的手段，科學家們發(fā)現(xiàn)了在折疊過程中存在過渡態(tài)和疏水塌縮現(xiàn)象。在實驗上，DNA復合過程也已經(jīng)被廣泛的研究?？茖W家們發(fā)現(xiàn)DNA復合過程具有non

3、-Arrhenius的行為，在DNA/RNA發(fā)卡折疊過程中找到了過渡態(tài)存在的實驗證據(jù)。盡管DNA復合過程的研究已經(jīng)取得了如此豐富的結(jié)果，但是DNA復合過程的機制還遠遠沒有被完全的理解。
　　 本文通過分子動力學的方法主要研究了DNA逐個堿基復合的過程；以及在逐漸增加相對3’端和5’端的距離的情況下，一段含有22個堿基對的DNA分子的結(jié)構(gòu)變化。在逐個堿基對復合的研究中，我們發(fā)現(xiàn)打開的堿基對成功配對復合的概率依賴于初始的未形成堿基對

4、時DNA的結(jié)構(gòu)。即依賴于未配對的堿基對與其相鄰的已經(jīng)配對的堿基對的溶液可及表面積。溶液可及表面積描述這兩個堿基對與周圍水的接觸情況。溶液可及表面積越小，說明兩個堿基對周圍的水分子數(shù)越少。這將引起整個系統(tǒng)的焓減小，因為堿基表面是疏水的不能與水分子形成氫鍵，有更多的水進入體相水中可以減少水分子未配對的氫鍵數(shù)日。這是除堿基之間氫鍵相互作用之外，DNA復合的另一個驅(qū)動力。重要的是，在A-T和G-C堿基對中我們都發(fā)現(xiàn)了亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。在A-T堿基對復

5、合過程中發(fā)現(xiàn)的兩個亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)都包含一個水分子，這個水分子連接起兩個堿基，起到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的作用。這些亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)造成了在形成Watson-Crick堿基對過程中遇到的勢壘。我們的數(shù)值模擬結(jié)果顯示，大多數(shù)的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)在較高的溫度下都會成為Watson-Crick堿基對，這個結(jié)果表明這些由亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)造成的勢壘在較高的溫度下是可以被熱漲落克服的。據(jù)我們所知，這是第一次報道有關(guān)我們發(fā)現(xiàn)的Metal結(jié)構(gòu)。雖然我們發(fā)現(xiàn)的Meta2的結(jié)構(gòu)已經(jīng)在零溫下由第一

6、性原理計算給出，但是我們的模擬第一次揭示了這個結(jié)構(gòu)在室溫下也可以穩(wěn)定的存在。我們發(fā)現(xiàn)在G-C堿基對復合過程中也存在類似的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。在拉伸DNA分子的模擬中，兩種拉伸方法(拉伸3'3'端和拉伸5'5'端)引起了DNA分子不同的結(jié)構(gòu)變化。將3’端拉伸3.5nm需要142 kJ/mol的能量，拉力平臺的高度大約為80pN；相應的將5’端拉伸同樣的長度，需要190 kJ/mol的能量，拉力平臺的高度大約為100pN.拉伸3’端導致DNA分子雙

7、螺旋結(jié)構(gòu)更大的解旋和相鄰的堿基對向DNA分子的小溝方向翻轉(zhuǎn)。與之相反，拉伸5’端使得相鄰堿基對向DNA分子的大溝方向翻轉(zhuǎn)并且使得整個DNA分子的直徑減小。拉伸3’端和拉伸5’端最大的不同在于拉力的平臺區(qū)域，拉伸5’端導致DNA中堿基對的打開，這些打開的堿基對又會對DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性帶來很大的影響。對于兩種拉伸方法，堿基的轉(zhuǎn)動和平動自由度發(fā)生變化的位置都在拉力平臺開始的位置，也就是DNA的相對長度l為1.2的位置。模擬結(jié)果對于理解D